一、引言

随着养殖业与食品加工业的快速发展，高氨氮废水排放问题日益突出。传统硝化-反硝化工艺存在能耗高、碳源依赖性强等问题，而生物电化学系统（Bioelectrochemical System, BES）通过耦合微生物代谢与电化学过程，实现低能耗、低碳源条件下的高效脱氮，成为近年来的研究热点。

二、技术原理与脱氮机制

BES系统由阳极、阴极、质子交换膜及微生物群落组成：

阳极反应：产电菌氧化有机物释放电子；

电子传递：通过导线形成闭合电路；

阴极反应：硝酸盐/亚硝酸盐被还原为N₂或NH₄⁺。

脱氮途径主要包括：

直接电化学还原硝酸盐；

微生物介导的硝酸盐还原；

电驱动自养反硝化（无需外加碳源）。

三、系统构型与发展现状

目前主流构型包括：

单室无膜BES；

双室带膜BES；

混合式BES（与厌氧消化联用）；

堆叠式模块化BES。

四、关键性能指标

脱氮效率：可达70–95%，视进水浓度与运行条件而定；

库伦效率：反映能量转化效率，一般低于40%；

启动时间：依赖接种污泥与驯化条件；

抗冲击负荷能力：优于传统生化系统。

五、工程应用前景

尽管BES尚处于实验室与小试阶段，但在以下领域具有潜力：

养殖废水、食品加工废水等高氨氮废水；

农村分散式污水处理；

与MBR、厌氧消化等工艺耦合提升能源回收率。

主要挑战包括功率密度低、成本高、长期稳定性不足，以及缺乏标准化设计。

六、未来发展方向

筛选高效脱氮菌株并构建基因工程菌；

开发低成本电极材料（如碳毡、石墨烯）；

构建规模化模块并优化流道设计；

探索BES驱动传感器或微泵系统，实现智能监测；

结合AI优化控制策略提升系统智能化水平。